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基于DW540通用Qi无线充电器的设计*

作者:卢翠珍时间:2020-06-29来源:电子产品世界太阳城BG视讯

  卢翠珍(百色学院,广西 百色 533000)

本文引用地址:http://tycbgsx.997sj.com/article/202006/414844.htm

  摘 要:本设计是以专用IC为核心的通用器,主要由主控IC模块、电源输入模块、电流检测模块、发射线圈驱动模块、解码采集模块五部分组成。能够实现待机状态时绿、蓝LED常灭,充电状态时绿色LED常灭、蓝色LED常亮;充电设备充满电时,LED状态指示为绿色LED常亮,蓝色LED常灭的状态指示;拥有灵敏的FOD(异物)自动检测、温度检测及状态指示功能。同时可支持TI、IDT(注:2019年被瑞萨电子并购)、松下等接收器,实现了所有的不同品牌设备无缝适配,具有兼容性、通用性。

  关键词:

  1 本无线充电器的设计任务及技术指标

  1)能给市场上采用Qi标准具备无线充电功能的通用设备充电,而且不受手机充电接口的限制(该手机支持无线充电)。

  2)该充电器供电电流>500 mA。

  3)具备休眠省电模式,可自动进入待机状态。

  4)充电距离≤1 cm。

  5)近距离充电损耗率不超过40%。

  2 设计方案及功能

  本设计将以无线充电专用IC为核心,通过电源输入模块、发射线圈驱动模块、解码采集模块、电流检测模块、电压检测模块的有机结合。实现了待机状态时绿、蓝LED常灭,充电状态时绿色LED常灭、蓝色LED常亮;充电设备充满电时,LED状态指示为绿色LED常亮,蓝色LED常灭的状态指示;同时还具备异物自动检测及温度检测功能。

  3 系统硬件设计

  系统硬件主要由发射和接收两部分构成,原理框图如图1所示,直流5 V电源为发射模块电路供电,发射器中以DW540为核心,控制整个系统的工作状态,电能由发射线圈发射出去,后经接收线圈接收和转换电路转换变回5 V直流电,为充电设备充电。

  3.1 DW540主控电路设计

  DW540主控单元电路如图2所示。由于内部自带晶振,所以无须外接晶振也可正常工作。复位引脚NREST低电平有效,通过USB接口提供低电平,就可有效地重启DW540进行复位,亦可以直接断电重启复位。为了保证其不会自启复位,在NREST引脚上外接1个104(即0.1μF)的电容,使其在正常工作状态下为高电平,并且在提供了一个低电平进行复位后能够迅速恢复高电平,而不是一直处于低电平复位状态,以至于其无法正常运行。引脚UP_A、DOWN_B、DOWN_A和UP_B共同控制发射线圈的上拉/下拉信号,也就是调整发射线圈的发射频率,只有不断地调整发射频率,使其在与接收线圈频率共振时,效率才能达到最高,并且传输距离的变化也时刻影响着共振的频率。当系统温度过高时,热敏电阻因阻值变低,使DW540温度检测输入端TEMDET为低电平,经内部处理后,SWITCH输出高电平,从而使N沟道场效应管2N7002的导通,采集信号被短路到地而没有流经频率电压转换电路,解码采集无输出,充电器停机不工作。

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  3.2 驱动及检测电路设计

  驱动及检测电路原理图如图3,由双N沟道场效应管的和双P沟道场效应管的组成H桥逆变电路,由于DW540输出的上拉/下拉信号不能直接驱动,因此在它们的栅极之前各自加上Q5和Q9、Q8和Q12、Q6和Q10、Q7和Q11组成的驱动电路。当CEM4953和CEM9926的栅极无电平信号输入时,其内部场效应管的漏极源极不导通,驱动电路也就无法正常工作,所以为了保证该电路能正常驱动发射线圈,需要DW540控制的DOWN_A、DOWN_B、UP_A和UP_B连续发送一定频率的高低电平,来控制CEM4953和CEM9926的通断,而这一开关频率也就直接控制发射线圈的发射频率。图中的L1就是发射线圈,可以选用每线105股、直径0.81 mm的双线绞合线AWG,也可以选用0.08 mm直径的40AWG,或参数相同的具有圆形形状线圈。

  电流检测部分由R11、R15、R16、C17、C9、LM358组成,当发射线圈的电流流过0.033 Ω的采样电阻R11时,在R11上将产生0.1~0.5 V的电压差,后经过LM358同相放大后,送至DW540主控IC处理。

  由C7、C8、R7、C11、R9、D1、R14、R12、C11、R18、LM358组成解码采集电路,通过采集电容C7把采集到的频率信号送往LM358进行同相放大并转换为电压信号,同时将这一信号交由主控IC DW540处理,因此,解码采集电路使主机(发射端)和从机(接收端)建立了通信,还可以实时知道当前驱动电路的实际发射频率,以便及时调整达到最佳工作状态。

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  4 无线通信及控制过程

  4.1 上电识别

  发射器以一定周期来发出扫描信号,接收器收到信号后根据输入功率大小转换成频率信号发送出去,接收器至少在50 ms内要完成一次电压、频率的转换。当发射器收到接收器反馈的频率后,调整发射功率,发射器的信号也相应进行调整。同时,发射器还可识别传统的数据信号,每个数据位对齐在1个完整周期为0.5 ms或2 kHz上。具体的编码如图4。每个字节有11位,其中包括了1个开始位、8个数据位、1个校验位和1个停止位,当收到正常的数据信号时,则上电识别成功。

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  4.2 无线充电系统控制流程图

  DW540接收并处理各模块传送过来的数据,并给相应模块发送控制信号;解调模块负责解调接收端发送的数据包,并将解调出来的信息传送给控制模块;LED模块收到控制模块发出的控制信号后,点亮或熄灭相应的指示灯;驱动电路模块根据控制模块发出的控制信号对驱动电路(高频逆变电路)的开关管进行控制,以改变发射线圈的工作频率;LM358用来将检测到的电流、频率信号转换成电压信号,并将这些电压信号传送给控制模块。DW540自带控制程序,在此将不对程序作分析,而且本设计不涉及接收器,所以接收部分的控制流程图在此不做介绍。

  工作流程:当发射端上电后首先不断地进行异物检测(FOD),如果检测到有物体不管是否为合法接收端都执行下一步,如果没有检测到异物或者是检测到的异物为非法接收端,例如一枚硬币,则发送报警信号给LED做出警示,并且重新返回待机状态。如果该物体为合法的接收端,则执行下一步获取该接收端的身份信息和控制信息。如果接收到的控制信息为终止发送信号,则发射端返回待机状态并且不断地进行初始的异物检测,如果接收到的控制信息为调整发射频率信号,则发射端根据该信号调节发射端的工作频率,以调节传输功率的大小。程序不断地重复运行此流程,便构成了无线充电发射端的控制系统。

  5 系统调试与测试

  系统调试与测试是检验设计能否达到目标的重要环节。前期的上电调试可以及时发现电路硬件部分的缺陷。后期的上电测试可以发现设计是否实现设定功能,以及一些细节参数的调整。

  5.1 硬件调试

  1)静电调试

  在电路焊接完成之前,首先对主控IC以及其他主要芯片进行检测,因为这些芯片是最容易出现空焊、漏焊以及短路的,只有检测合格后才能进行下一步的焊接,否则将影响整个电路的成功与否。

  2)上电检查

  焊接完毕并且确认硬件电路没有出现人为错误之后,便可上电检测,先给相关模块提供一个工作电压,看是否能够正常工作,工作后各个引脚输出的参数是否合格。如果都能够正常工作并且参数无误,则进行下一步开机运行。

  3)开机运行

  在过上述2个步骤后,确认各个元件焊接无误,便可上电使整个系统试运行,并且用万用表检测这个模块的运行参数,在运行过程中还要注意元件是否有不正常的发热情况,如果需要及时断电,则重复上述的2个步骤,以及检查原理图和PCB是否有原理上的错误。

  5.2 系统测试

  1)效率测试

  在两线圈中心间隔3 mm有机玻璃,采用测量精度0.8%以上万用表分别测量输入/输出电压和电流,接收端采用BQ500210为主控芯片的接收器,可调电阻负载测试,测量数据如表1。

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  2)空载测试

  空载功率小于0.1 W则为测试合格(如表2)。

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  3)异物检测测试

  在输入5 V/2 A、输出空载、环境温度为25 ℃,相对湿度55%的测试条件下,首先让无线充电器处于待机状态,将1元硬币放在无线充电器上,然后在硬币上放无线接收设备,无线充电器仍然处于待机状态不工作;其次在无线充电器和接收器正常工作时,再在它们之间放入1元硬币,无线充电器在29 s后进入关机自我保护状态,说明无线充电器实现了异物检测功能。

  6 总结

  上述测试结果表明,本设计完全达到了预期设计目的,可为市场上具有Qi标准的自带无线充电手机充电。

  但不足之处是工作时发热量大,散热不乐观,充电距离过近等问题。如果能将以上几个问题突破,无线充电领域将会展开一个新的篇章。

  参考文献:

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  (注:本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第07期第77页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。)



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